包括碳納米森林的接頭的制作方法
【專利說明】包括碳納米森林的接頭
[0001]背景
[0002]本文所述的創(chuàng)新實施方案涉及使用碳納米森林以便減少磨料顆粒進入可壓縮密封元件的接頭。
[0003]可壓縮密封元件(例如，0形環(huán))用于在各種井眼工具中密封接頭(例如，旋轉(zhuǎn)接頭、靜態(tài)接頭等等)。在一些實例中，可壓縮密封元件用來保護井眼工具的其他部分(如軸承)。在操作期間，可壓縮密封元件經(jīng)常與包括磨料顆粒的井眼液接觸。這些磨料顆?？梢阅p可壓縮密封元件。隨著可壓縮密封元件磨損，可能穿過可壓縮密封元件形成泄漏，從而使磨料顆粒接觸并損害可壓縮密封元件意圖保護的井眼工具的部分。這可導(dǎo)致不希望的工具損害和可能地操作停止。
[0004]附圖簡述
[0005]以下附圖用于說明本發(fā)明的某些方面，并且不應(yīng)視作排他的實施方案。如本領(lǐng)域中的技術(shù)人員以及受益于本公開的人員將了解，所公開的主題能夠在形式和功能上存在許多修改、變更、組合和等效形式。
[0006]圖1提供牙輪鉆頭的圖。
[0007]圖2提供用于將井眼鉆探至地下地層中的鉆機的圖。
[0008]圖3提供根據(jù)本文所述的至少一個實施方案的牙輪鉆頭的一部分的截面圖，碳納米森林在接頭間隙的未密封區(qū)段中。
[0009]圖4A提供接頭間隙的截面圖，其示出經(jīng)由本文所述的碳納米森林的過濾。
[0010]圖4B提供沿著接頭間隙的端視圖，其示出經(jīng)由本文所述的碳納米森林的過濾。
[0011]圖5提供碳納米森林在未密封區(qū)段中的接頭間隙的截面圖。
[0012]圖6提供碳納米森林在未密封區(qū)段中的接頭間隙的截面圖。
[0013]圖7示出在本文所述的接頭的配合表面上生長碳納米森林以便實現(xiàn)直接聯(lián)接。
[0014]圖8示出在襯底上生長碳納米森林并將所述碳納米森林粘合地聯(lián)接至本文所述的接頭的配合表面。
[0015]詳述
[0016]本文所述的創(chuàng)新實施方案涉及使用碳納米森林以便減少磨料顆粒進入可壓縮密封元件的接頭。
[0017]如本文所用，術(shù)語“碳納米森林”指垂直對準的多個碳納米結(jié)構(gòu)，也就是，所述納米結(jié)構(gòu)的長軸線從聯(lián)接至其的襯底基本上垂直延伸。碳納米森林可以包括單壁碳納米管(“SWNT”)、多壁碳納米管(“MWNT”)(例如，2個至50個或更多個壁)、碳納米角、石墨烯、石墨稀納米帶、其他拉長的碳拉米結(jié)構(gòu)或其組合。應(yīng)注意的是石墨稀包括少層石墨稀。
[0018]在一個方面，本公開識別并解決潛在地損害可壓縮密封元件(如在鉆頭中以及在其他井眼工具(如滑動套筒、鉆孔器、栗等等)中的密封)的在鉆井液中的磨料顆粒的問題。如本文所識別的，在鉆井液(例如，地層巖肩以及如增重劑的添加劑)中的磨料顆粒通常非常湍流地且以非常高的速度移動。所公開系統(tǒng)和方法包括碳納米森林的各種具體使用，以便幫助困住或以其他方式緩和此類磨料顆粒進入可壓縮密封元件來防止磨料磨損。因此，將最小化與磨料材料相關(guān)聯(lián)的此類問題，這將延長井眼工具的使用期限。例如，延長鉆頭的使用期限可以減少在鉆探操作中從井下環(huán)境收回鉆頭的次數(shù)(這可能花費數(shù)小時)，從而最小化非生產(chǎn)性的時間和成本。
[0019]在井眼鉆探中使用的一種普通類型的鉆頭是牙輪鉆頭，其實例在圖1中作為100示出。在此類鉆頭中，旋轉(zhuǎn)錐102具有在它們外表面上的齒104(例如，硬質(zhì)合金刀片或銑削類型的齒)并且各自安裝在鉆頭體的臂106上。在鉆探期間，如圖2所示，鉆機208使用管210的區(qū)段來將旋轉(zhuǎn)力轉(zhuǎn)移至鉆頭200和栗212，以便通過管210的區(qū)段將鉆井液(如作為流動箭頭A示出)循環(huán)至井眼的底部。當(dāng)鉆頭旋轉(zhuǎn)時，所施加的鉆頭上的重量(“W0B”)迫使旋轉(zhuǎn)錐的指向下方的齒進入被鉆探的地層。因此，所述齒的點施加超過地層的屈服應(yīng)力的可壓縮應(yīng)力，并且這誘導(dǎo)地層中的斷裂。所產(chǎn)生碎片(也稱為“巖肩”)被高流率的鉆井液(也稱為“泥漿”)從切割面沖走。
[0020]圖3示出根據(jù)本公開的方面的具有可被保護的密封的牙輪鉆頭的一部分的截面圖。更具體地說，圖3示出牙輪鉆頭的示例性接頭302。接頭302包括第一元件和第二元件，例如在此實施方案中分別為牙輪304和支撐臂308。牙輪304支撐在軸承334和主軸336上。這兩種元件中的每一個一牙輪304和支撐臂308—具有相對的配合表面:牙輪304的第一配合表面306和支撐臂308的第二配合表面310，其共同地限定間隙300。配合表面306與配合表面310之間的距離可以沿著間隙300改變。可壓縮密封元件318被配置來密封間隙300的一部分，從而限定密封區(qū)段312和未密封區(qū)段314。通常，配合表面306與配合表面310之間的距離沿著間隙300的密封區(qū)段312比沿著間隙300的未密封區(qū)段314更小，這提供包括本文所述的碳納米森林的必要空間。然而，在其他實施方案中，在不背離本公開的范圍的情況下，配合表面306與配合表面310之間的距離沿著間隙300的密封區(qū)段312可比沿著間隙300的未密封區(qū)段314更大，或者所述距離可基本上相等。
[0021]在一些實施方案中，至少一個碳納米森林在間隙300的未密封區(qū)段314的至少一部分內(nèi)，并聯(lián)接至配合表面306或310中的一個。在一些實例中，碳納米森林可以延伸超過間隙300，并聯(lián)接至對應(yīng)于所述碳納米森林聯(lián)接至的配合表面的延伸表面。再次參考圖3，碳納米森林320聯(lián)接至包括延伸表面310’的一部分的第二配合表面310的一部分。
[0022]碳納米森林可以通過多種方法聯(lián)接至配合表面，所述方法包括在所述配合表面上直接生長碳納米森林(本文稱為“直接聯(lián)接”或其語法上的等效物)，或?qū)⑺鎏技{米森林或?qū)?yīng)襯底粘合至所述配合表面(本文稱為“粘合地聯(lián)接”或其語法上的等效物)。應(yīng)注意除非另外規(guī)定，否則描述將碳納米森林聯(lián)接至配合表面的實施方案包括直接聯(lián)接和粘合劑聯(lián)接。本文進一步討論用于實現(xiàn)每種聯(lián)接的方法。
[0023]在所公開實施方案中的一些中，例如碳納米森林被示出為從一個配合表面朝向另一配合表面延伸但不接觸另一配合表面或聯(lián)接至其的另一個碳納米森林。另選地，在本教義范圍內(nèi)的其他實施方案中，碳納米森林可以從配合表面延伸至期望的程度或距離(例如，以便不接觸或最低限度地接觸另一配合表面或聯(lián)接至其的另一個碳納米森林，或以便由另一配合表面或聯(lián)接至其的另一個碳納米森林壓縮)。例如，在一些實施方案中，碳納米森林可以在接頭間隙中受壓縮。
[0024]圖4A和圖4B示出根據(jù)一個或多個實施方案的在第一元件404與第二元件408之間的具有安置在其中的碳納米森林420的示例性間隙400的放大視圖。在示例性操作中，碳納米森林420可以作用為過濾器以便減少磨料顆粒436進入可壓縮密封元件418 (圖4A)，從而延長密封元件418和井眼工具的使用期限。圖4A示出部分間隙400的截面圖，其示出在未密封區(qū)段414中流動以便接觸碳納米森林420的包括磨料顆粒436的鉆井液。循環(huán)通過或以其他方式流動通過未密封區(qū)段414的流體可以遇到碳納米森林410，并且一些將返回井眼(箭頭A)，而一些可以橫穿(箭頭B)碳納米森林420以便到達可壓縮密封元件418。碳納米森林420可以被配置來阻礙大多數(shù)的磨料顆粒436，從而允許顆粒與流體一起再循環(huán)出間隙400 (箭頭A)，并且基本上過濾與橫穿碳納米森林420 (箭頭B)的流體一起運送的其他磨料顆粒436。圖4B示出沿著間隙400內(nèi)的碳納米森林420的一部分的端視圖，并將多個磨料顆粒436示為困在碳納米森林420中。
[0025]此外，在沒有理論上的限制的情況下，據(jù)信隨著碳納米森林磨損，副產(chǎn)物將包括納米管區(qū)段、石墨烯或少層